25 آوریل 2023-© shutterstock/Marko Aliaksandr
دکتر Bhuvana Srinivasan، دانشیار مهندسی هوافضا و اقیانوس در ویرجینیا تک (در سال 2023 به دانشگاه واشنگتن نقل مکان کرد)، تیمی را رهبری می کند که از چندین مفهوم انرژی همجوشی هسته ای از طریق مدل سازی محاسباتی پشتیبانی می کند.
پس از تقریباً 70 سال مطالعه علمی، همجوشی هسته‌ای سرانجام «لحظه برادر رایت» خود را دارد، همانطور که اخیراً در رسانه‌ها توصیف شد. در همین دوره، انقلاب‌های متعددی در سخت‌افزار محاسباتی رخ داده است که شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای پیش‌بینی‌کننده و پیشرفت علمی قابل‌توجهی در طیف گسترده‌ای از زمینه‌های علمی و مهندسی را ممکن می‌سازد. گداخت هسته ای نیز از این امر مستثنی نیست.
زمینه فیزیک پلاسما، که برای موفقیت همجوشی هسته‌ای بنیادی است، از پیشرفت‌های انجام شده در محاسبات با کارایی بالا بسیار سود برده است. پلاسما به عنوان چهارمین حالت ماده در نظر گرفته می شود که زمانی حاصل می شود که گاز به اندازه کافی گرم شود تا به اجزای باردار آن یعنی یون ها و الکترون ها تجزیه شود. سوخت همجوشی، که در نهایت انتظار می رود انرژی بسیار بیشتری از انرژی مورد نیاز برای تامین انرژی یک راکتور تولید کند، پلاسما است.
درک جامع از نحوه رفتار این پلاسما در شرایط همجوشی سوزان و نحوه کنترل این پلاسما برای موفقیت همه مفاهیم همجوشی حیاتی است. در حالی که امکانات آزمایشی چند میلیون یا چند میلیارد دلاری ممکن است در توانایی آنها برای انجام مطالعات تکراری دقیق از دینامیک و پایداری پلاسما محدود باشد، مدل‌سازی محاسباتی می‌تواند بینش قابل‌توجهی نسبت به طراحی، پیش‌بینی و تجزیه و تحلیل ارائه دهد و بنابراین یک ستون اساسی برای موفقیت انرژی همجوشی شبیه‌سازی رایانه‌ای پلاسما به ابررایانه‌های بزرگ و مدل‌های بسیار کارآمد و دقیق نیاز دارد تا جزئیات فیزیک را در مقیاس‌های مکانی و زمانی بسیار متفاوت ثبت کند که درجات بزرگی را در بر می‌گیرد، به عنوان مثال، از صدها متر به پایین تا میکرومتر در یک دستگاه همجوشی مغناطیسی.
این پیشرفت‌های محاسباتی، مدل‌های وفاداری بالاتر را قادر می‌سازد تا بینش‌هایی را ارائه دهند که در قرن گذشته امکان‌پذیر نبودند و بنابراین، مسیرهایی را برای همجوشی فراهم کردند که قبلاً مشهود نبودند. از آنجایی که نهادهای دولتی و خصوصی مسیرهای مختلفی را برای همجوشی هسته ای دنبال می کنند، نمی توان بر اهمیت مدل سازی محاسباتی برای موفقیت همه مفاهیم همجوشی تاکید کرد.
دکتر Bhuvana Srinivasan تیمی از دانشجویان فیزیک پلاسما، محققان فوق دکترا و دانشمندان پژوهشی را رهبری می کند که مدل سازی محاسباتی را در حمایت از مفاهیم انرژی همجوشی متعدد انجام می دهند که شامل همجوشی محصور اینرسی، همجوشی مغناطیسی-اینرسی، مفاهیم آینه مغناطیسی، مفاهیم ادغام جت پلاسما، Z پینچ و توکامک. سه مورد از تلاش های تیم او در اینجا برجسته شده است.
فعل و انفعالات دیواره پلاسما برای هر دستگاهی که در آن پلاسما با یک دیوار جامد تعامل دارد.
یکی از چالش‌های اصلی در انرژی همجوشی، توسعه موادی است که می‌توانند در برابر دما، شار ذرات و شار گرمایی که در تماس با پلاسمای داغ با آنها مواجه می‌شوند، مقاومت کنند. برای زمینه، انتظار می رود راکتورهای همجوشی دمای پلاسما بالای 100 میلیون درجه سانتیگراد تولید کنند که حدود ده برابر گرمتر از مرکز خورشید است. تقریباً همه مواد در دمای بالای 5000 درجه سانتیگراد تبخیر می شوند.
به عنوان اولین قدم، باید تعیین کرد که چه دماها و شارهایی در این دیواره‌های مواد وجود دارد و آیا راهی برای دستکاری هوشمندانه برهم‌کنش‌های دیواره پلاسما برای کاهش تأثیر بر پلاسما و دیوار وجود دارد. تیم دکتر سرینیواسان به همراه همکاران در آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون و آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در حال کار برای درک رفتار میکروسکوپی پلاسما بسیار نزدیک به دیواره مواد هستند. این وضعیت در هر وسیله ای که پلاسما را با دیواره ای جامد محدود می کند، مواجه می شود. این نه تنها شامل طیف گسترده ای از دستگاه های همجوشی می شود، بلکه دستگاه های پیشران فضاپیما را نیز شامل می شود که از پلاسما به عنوان پیشران استفاده می کنند. یک غلاف پلاسما در یک ناحیه موضعی نزدیک دیوار تشکیل می‌شود، زیرا الکترون‌ها، اجزای تشکیل‌دهنده با بار منفی در پلاسما، بسیار سبک‌تر و سریع‌تر از سبک‌ترین یون‌ها، که جزء با بار مثبت پلاسما هستند، هستند. از آنجایی که الکترون‌ها از یون‌ها پیشی می‌گیرند، یک پتانسیل الکترواستاتیکی (مشابه ولتاژ) به طور مداوم توسعه می‌یابد تا سرعت الکترون‌ها را کاهش داده و یون‌ها را شتاب دهد. اگرچه فیزیک داخل یک غلاف میکروسکوپی است، اما می‌تواند اثرات ماکروسکوپی روی پلاسمای جهانی حتی در فاصله دورتر از دیوار داشته باشد و مهمتر از همه، می‌تواند اطلاعاتی در مورد نحوه تأثیرگذاری مواد دیوار ارائه دهد. این می تواند به توسعه مواد و روش های جدید دیوار برای کنترل سوخت همجوشی برای بهبود فعل و انفعالات مخرب دیواره پلاسما کمک کند.
دکتر Srinivasan و تیم او مطالعات بنیادی را برای اطلاع از چگونگی این اختلاط، اهمیت مدل‌های فیزیک دقیق برای درک چنین اختلاط‌ها، و گزینه‌هایی برای کاهش این اختلاط برای دستیابی به بازده همجوشی بالاتر انجام داده‌اند. مثال ساده ارائه شده را در نظر بگیرید نمودار (الف) نمونه ای از اختلاط نامطلوب را نشان می دهد که در آن یک سیال سنگین بالای یک سیال سبک قرار گرفته و به دلیل شتاب سقوط می کند. این فرآیند مشابه آنچه اتفاق می افتد اگر یک ظرف حاوی آب و روغن به طور ناگهانی معکوس شود یا به سمت پایین شتاب شود، رخ می دهد. نمودار (ب) نشان می دهد که گنجاندن ویسکوزیته در شبیه سازی های کامپیوتری ما می تواند پیش بینی رفتار اختلاط را تغییر دهد. نمودار (c) نشان می دهد که چگونه گنجاندن یک میدان مغناطیسی مناسب جهت دار با قدر کافی می تواند به طور قابل ملاحظه ای اختلاط را کاهش دهد. این کار در چندین نشریه بعدی گسترش یافته است و توسط دکتر سرینیواسان و دانشجویانش به صورت تجربی در تاسیسات لیزر امگا در دانشگاه روچستر و همچنین از طریق شبیه‌سازی‌های کامپیوتری. به سمت انرژی همجوشی اینرسی با بازده بالاتر از طریق استفاده از میدان های مغناطیسی اعمال شده برای کاهش اختلاط مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
تیم دکتر سرینیواسان مدل‌سازی محاسباتی فیزیک پلاسما مربوط به بسیاری از مفاهیم مختلف همجوشی را انجام می‌دهد و تیم او همچنان به تلاش‌های جامعه برای دستیابی به راکتورهای همجوشی هسته‌ای در مقیاس نیروگاه از طریق شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای با وفاداری بالا ادامه می‌دهد.
